Electrical ＆ Magnetic EM上島Lab 代表

上島 敬人

【略歴】
総合家電メーカーにて42年間白物家電...もっと見る 【略歴】
総合家電メーカーにて42年間白物家電の設計開発部門にて下記業務に従事。
《商品設計（電気系）》
　ハードウェア設計・評価：アナログ設計、SW電源、インバーター等
　プリント基板設計：製造性、法規に熟知した実装パターン設計
　品質・信頼性評価：EMC、熱、電気系信頼性評価・対策
　開発マネジメント：FMEA、DR、法規等QMS管理・対内外折衝、VE推進
《電気系開発技術・システム開発》
　CAD/PDMを中心としたシステム開発・運用
　CAE：電磁界シミュレーションを活用したEMC検証、対策

【取得資格】
　iNARTE EMC Design Engineer

皆様、こんにちは。ＥＭ上島Ｌａｂ　上島です。
第4話では、電流により発生する磁界の強さについてお話をさせていただきました。
磁界の強さがわかると言うことは、ノイズ源に対して影響を受けたくない配線をどのくらい離せばよいかという考えにつながります。商品を構成する中で、構造設計に伝えるべき数値仕様を具体化することができるというお話でした。
今回は、ノイズ源としてのパワー線に流れる電流により、別の配線に影響するとはどういうことなのかについて考えてみたいと思います。

磁界による影響について

図1は中学校の理科に出てくる、磁力による物理現象を確認する実験です。コイルに磁石を近づけると、電流計の針が振れる (コイルに電流が流れる) という実験です。この現象はイギリスの科学者ファラデーにより発見され、ファラデーの電磁誘導の法則として知られるようになりました。また、関連法則として、何らかの原因で誘導電流が発生した場合、電流の流れる方向は誘導電流の原因を妨げる方向と一致するということをロシアの物理学者レンツが発見し、レンツの法則と呼ばれています。

これらを式で表現すると、以下となります。

式を見てわかるように、誘導電圧は磁束の単位時間変化により発生することに注目しておいてください。

ところで「\(\phi\) : 磁束」というものはなにかについて、触れたいと思います。第4話では、ビオサバールの法則で磁界の強度\(H\)のお話をしました。電磁誘導においては磁場 (磁界) の強さは磁束密度\(B\)と磁束\(\phi\)を用いて表わします。磁場のある空間には磁束線が走っており、単位面積あたりの磁束の本数が\(B\)本のとき、その空間の磁束密度は\(B\)であるとすることができます。

面積\(S\)を貫く磁束線の本数\(N\)は

\[ N=BS \]

と表すことができ、この本数\(N\)を『磁束』といい、\(\phi\)で表します。

\[ \phi=BS \]

尚、上記は平面と磁束が垂直な場合で、図2のように平面の法線ベクトルのなす角が\(\theta\)の場合は以下となります。

\[ \phi=BS\cos\theta \]

配線と電磁誘導

磁界が変化すると電磁誘導により、起電力が発生するという物理現象はなんとなくご理解いただけたと思います。『でも商品内部配線って、固定されていて動かないんじゃ・・』と聞こえてきそうです。そうです、配線は固定されていることが多く、受け身の状態ですし、理論式の通り磁束の変化が電磁誘導ですので、一定 (直流) 電流の流れる固定配線同士がそこにあっても電磁誘導は起きないことになります。では電流が変化するとはどのような状態かというと、以下のような電位変化が起因となります。

1. 交流電圧
2. パルス電圧信号
3. 高周波ノイズ (歪み)

言い換えると、変化する信号源があれば電磁誘導は起きうると考えなければなりません。

そうは言っても現実は その2

第4話では、配線間を離す仕様をどうやって決定付けるかということに腐心していたというお話をしました。電磁誘導がノイズの伝搬する理論と考えた場合、その特徴を理論的に思考すると、ただ遠方へ離すと考えるのではなく、直感的には磁束の向きや磁束の変化 (周波数) により適切な離し方があるように思われます。
構造設計者に向かってやみくもに『とにかく離して』とか、『できるだけ離して』と交渉しても (前職時代はよくありましたが) 根拠 (理論) なしでは説得性が低く、もめるばかりではないでしょうか (よくもめてました) 。
電位変化の特性をつかむことで、理論に基づいた適正な処理の仕方 (仕様) を導き出すことが可能と思います。実験により状況証拠を積み上げる方法もありますが、何が原因なのか、何がおきているのかを理論的に解釈していくことが課題解決、さらにはナレッジとなり設計の信頼度とともに開発効率も上がっていくのではないかと考えます。

次回は、電磁誘導についてもう一段深く考えていこうと思います。
最後までお読みいただきありがとうございました。